宁波材料所赵文杰/严明龙《JMH》：COF纳米管/2D纳米片异质结光催化抗菌剂

微生物在水下设备表面的黏附生长（生物污损）会加速材料腐蚀，不仅缩短设备寿命、增加维护成本，更潜伏着严重安全隐患。传统依赖抗生素和有毒抗菌剂的防护手段，正面临多重耐药菌泛滥和化学污染加剧的双重生态危机。光催化抗菌技术凭借太阳能驱动产生抗菌活性氧（ROS）来杀灭微生物，具有无化学添加、零二次污染、无细菌耐药性等显著优势，成为抗菌防污领域的理想选择。当前，以过渡金属二硫化物（TMDs）、过渡金属碳化物/碳氮化物（MXene）、石墨氮化碳（g-C₃N₄）为代表的二维材料虽展现潜力，却因电荷分离效率低下掣肘发展。如何在低浓度、弱光照条件下保持高效杀菌活性？这成为制约技术应用的关键瓶颈。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室苛刻环境材料耦合损伤与延寿团队长期致力于新型环保抗菌防污材料的设计、可控制备、及应用等方面研究。近期，该团队针对该问题，提出构建具有内建电场（Internal electric field）的异质结界面以调控二维材料中光生电子-空穴对的定向分离效率，通过利用具有高度共轭电子结构的二维席夫碱COF（TpPa-1）与二维纳米片（g-C3N4，WSe2和Ti3C2Tx）形成二元异质结光催化剂体系，开发了共价有机框架(COF)纳米管/2D纳米片异质结光催化剂（COF-x），成功破解光催化效率低难题！相关研究结果以“COF nanotubes/2D nanosheets heterojunction for superior photocatalytic bactericidal activity even at low concentration and weak light” （DOI: 10.1016/j.jhazmat.2025.138111）为题目发表在国际顶级期刊《Journal of Hazardous Materials》上，该团队的吴赛君研究生为第一作者，严明龙博士和赵文杰研究员为通讯作者。

研究人员基于二维纳米材料高比表面积与丰富界面活性位的特性，以苯基二元胺与苯基三元醛为单体，通过一锅合成法成功在g-C3N4，WSe2和Ti3C2Tx等二维纳米片表面原位生长出高度共轭的席夫碱基COF-1纳米管，构建了三种新型COF纳米管/二维纳米片异质结光催化剂（COF-x）（图1）。尤为突出的是，该工艺突破性实现了无软/硬模板条件下，形貌均匀的COF-1纳米管可控制备。

图1 COF纳米管/2D纳米片异质结（COF-x）的合成示意图

该工作创新性提出一步法原位构建策略，在g-C₃N₄、WSe₂、Ti₃C₂Tₓ等二维材料表面精准构筑COF纳米管，成功形成了S型/肖特基异质结体系。二维纳米片作为核心光捕获单元，将异质结光吸收边界突破至200-2500 nm（横跨紫外-近红外全光谱），实现太阳能的广谱捕获与高效能量转化（图2）。通过界面能带精准调控，二维材料与COF间形成强内建电场并建立定向电荷传输"高速通道"，构筑起支撑电荷分离与光吸收的协同平台，使载流子寿命跃升至19.62 ps，显著延长了载流子的寿命，分离效率实现指数级提升。实验证实，COF-x体系在太阳光激发下可爆发式产生活性氧（O₂⁻、·OOH等ROS），其浓度较单一COFs纳米管或二维纳米片提升1.9-270倍（图3），展现出出色的光催化增效能力。

图2 COF纳米管/2D纳米片异质结（COF-x）的光学特征

图3 COF纳米管/2D纳米片异质结光（COF-x）的光催化性能

光催化技术应用于抗菌防污领域长期受限于光吸收效率低、材料稳定性差与有限光谱响应能力的困扰，该研究工作报道的COF-x异质结体系实现在超低浓度（2 µg/mL）与弱光照强度（15 mW/cm²）条件下，材料抗菌率从传统纳米片的34.13-41.68%提升至99.86%以上（图4）；当浓度提升至20 µg/mL时，COF-x更展现低于6小时的极速灭菌性能（杀菌率近100%）。在抗菌机制方面，文中指出，光生电荷和ROS（如·OH、O₂·⁻和·OOH）快速有效地破坏了构成细菌的有机物，通过削弱细菌的活力、攻击其外层细胞、穿透细胞膜并破坏内部结构，最终彻底杀灭细菌。经紫外辐照加速老化、酸碱腐蚀（pH 4-10）及长期水浸实验验证，COF-x仍保持>95%的抗菌效能，展现卓越环境适应性，满足海洋装备苛刻环境下的长效防护需求，为极端环境防污提供解决方案。

图4 COF纳米管/2D纳米片异质结（COF-x）的抑菌性能

该研究工作得到了国家自然科学基金（52103133，52105230）、国家杰出青年科学基金（52425501），浙江省重点研发计划（2023C03013，2022C01183）、宁波市科技创新2025重大项目（2020Z053）的资助。

论文信息：

Saijun Wu, Minglong Yan, Yuchen Zhong, Jianjun Cheng and Wenjie Zhao. COF nanotubes/2D nanosheets heterojunction for superior photocatalytic bactericidal activity even at low concentration and weak light. Journal of Hazardous Materials，2025, 492, 138111.

DOI: 10.1016/j.jhazmat.2025.138111

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030438942501026X

来源：高分子科学前沿

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